溫度差動式日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)的研制

牟華偉+劉雙喜+王金星

摘要：為實現(xiàn)日光溫室、智能溫室無人管理下的智能通風(fēng)控溫，設(shè)計1種溫度差動式日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用閉環(huán)智能控制，首先用戶根據(jù)不同季節(jié)、不同作物設(shè)定不同的上下限溫度值；其次系統(tǒng)采集用戶設(shè)定值、室內(nèi)作物生長環(huán)境溫度和室外環(huán)境溫度，最后通過3個指標之間的差動運算控制日光溫室通風(fēng)口的大小。調(diào)試結(jié)果表明，溫度差動式日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)可以將溫度準確地控制在設(shè)定值范圍，上下浮動誤差不超過1 ℃，夜間溫度提高2～5 ℃。研究表明系統(tǒng)能較好地控制日光溫室內(nèi)溫度，減少溫度因通風(fēng)口開合而引起的驟升驟降，而且能改善惡劣天氣突襲的影響，精準控制溫室溫度，同時優(yōu)化日落時風(fēng)口的關(guān)閉，有利于夜間溫室內(nèi)部的保溫，保證作物早熟、增產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：日光溫室；通風(fēng)系統(tǒng)；溫度差動式；通風(fēng)率；精準控制；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： S625.5+3 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0366-03

從20世紀80年代開始，日光溫室在中國北方地區(qū)不推而廣，它可用于栽培瓜果、蔬菜、花卉、藥材和食用菌等，逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。通風(fēng)是提高日光溫室作物產(chǎn)量的重要途徑，已成為日光溫室亟須解決的問題。為了保持溫室內(nèi)適宜的二氧化碳濃度，當(dāng)室內(nèi)溫度升高到一定程度后應(yīng)及時開窗通風(fēng)，引進新鮮空氣，提高二氧化碳濃度，可以有效提高作物產(chǎn)量，同時排出溫室中的濕氣，降低空氣的相對濕度，預(yù)防多種病蟲害的發(fā)生。目前，溫室通風(fēng)口廣泛使用人工操作，工作量大，有時還需要親自到溫室頂部手動開關(guān)通風(fēng)口[1-2]。國內(nèi)機械化日光溫室多采用卷膜通風(fēng)，通過電機或者人力帶動卷膜桿打開通風(fēng)口薄膜，但這種通風(fēng)方式會導(dǎo)致整棟溫室通風(fēng)口大小一致，不能根據(jù)溫室內(nèi)不同溫度來控制通風(fēng)口的大小。李金設(shè)計的《溫室及大棚智能溫控系統(tǒng)》可有效地控制溫室溫度，在許多智能溫室中得到較好地應(yīng)用，但這種溫控器主要用于控制調(diào)溫窗，控制成本較高，不適合普通日光溫室[3]。美國、韓國、荷蘭等國家研制的風(fēng)機針對連棟溫室[4]，也均通過傳感器采集溫室內(nèi)部溫度，從而控制風(fēng)機的開啟和轉(zhuǎn)速，且成本較高，不符合目前我國倡導(dǎo)節(jié)能型日光溫室的發(fā)展要求[5-6]。因此，只依據(jù)作物的室內(nèi)環(huán)境溫度控制日光溫室的通風(fēng)，均很難把握通風(fēng)速率，一般是采用恒定的通風(fēng)速率，夏季和冬季通風(fēng)差異較大，很難實現(xiàn)準確通風(fēng)控溫[7-12]。

本研究設(shè)計一種溫度差動式日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)[13-16]，單片機采集溫室內(nèi)部溫度和外界環(huán)境溫度，通過差動分析控制通風(fēng)口的大小，改進傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)的不足，為現(xiàn)代溫室的自動化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[17-18]。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該通風(fēng)系統(tǒng)采用總線通信溫度差動式控制方式，主要由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，機械系統(tǒng)包括減速器、卷桿、滑輪等；控制系統(tǒng)包括溫濕度采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、用戶交互系統(tǒng)和溫度差動分析系統(tǒng)等（圖1）。

1.2 工作原理

溫度差動式日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)自動工作過程為用戶設(shè)定上下限溫度和最大通風(fēng)口大小后系統(tǒng)進入正常工作狀態(tài)。下位機采集溫室內(nèi)溫度和溫室外環(huán)境溫度，上位機通過地址掃描方式逐個采集下位機上的信息，地址配對成功的下位機將相應(yīng)數(shù)據(jù)上傳，綜合比較分析溫室內(nèi)外溫度差、上下限溫度，并判斷通風(fēng)口的位置，再控制下位機驅(qū)動對應(yīng)位置的步進電機動作，帶動減速器正反轉(zhuǎn)，從而控制通風(fēng)口的大小，同時上位機采集的溫室內(nèi)外溫度和通風(fēng)速率會在屏幕上實時顯示。

為滿足用戶特定要求，該系統(tǒng)設(shè)置手動工作。用戶選擇手動模式，此時下位機上的無線接收模塊開始工作，當(dāng)接收到對應(yīng)編碼遙控器的控制信號時，下位機根據(jù)不同按鍵的鍵值控制步進電機的正反轉(zhuǎn)。

2 機械系統(tǒng)設(shè)計

機械系統(tǒng)主要包括減速系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、卷桿、固定架等（圖2）。根據(jù)實地測量可知，溫室最大通風(fēng)口寬度為0.8 m；冬季最大常用通風(fēng)寬度為0.3 m；通風(fēng)口開關(guān)拉力約為50 N。

2.1 執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計

執(zhí)行系統(tǒng)主要由換向滑輪、拉繩、換向支撐輪等組成（圖2）。工作時，控制系統(tǒng)按照不同溫差下的通風(fēng)速率，向步進電機驅(qū)動器發(fā)送工作指令并驅(qū)動步進電機運行，從而驅(qū)動減速器帶動卷桿轉(zhuǎn)動，帶動執(zhí)行機構(gòu)開關(guān)通風(fēng)口。針對卷膜通風(fēng)存在的通風(fēng)口大小一致等問題，設(shè)計1種分區(qū)柔性通風(fēng)裝置，通風(fēng)口采用尼龍繩穿邊，并由多組執(zhí)行系統(tǒng)分區(qū)控制通風(fēng)口開關(guān)，這樣也可以解決大功率步進電機和驅(qū)動器成本過高問題。

2.2 減速系統(tǒng)設(shè)計

因通風(fēng)口的開關(guān)需要較大力矩，且速度較慢，所以需要較大的減速比，故選定2級蝸輪蝸桿減速和1級齒輪減速，這樣不但能實現(xiàn)較大的傳動比，而且結(jié)構(gòu)緊湊，最重要的是使系統(tǒng)能夠自鎖，防止通風(fēng)口因外部風(fēng)力等因素而關(guān)閉。

步進電機的常用轉(zhuǎn)速為300～600 r/min，為獲得平穩(wěn)速度和較大轉(zhuǎn)矩，故選轉(zhuǎn)速nm=300 r/min，工作卷桿轉(zhuǎn)速nw≤0.5，分配傳動裝置各級傳動比分別為10、10、6，各軸轉(zhuǎn)速如表1所示。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

溫度差動式日光溫室通風(fēng)控制系統(tǒng)包括溫度采集系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、用戶交互系統(tǒng)和溫度差動分析系統(tǒng)等。其中上位機主要由單片機、MAX485通信模塊、觸摸屏；下位機主要由單片機、溫度傳感器、步進電機驅(qū)動器、MAX485通信模塊、手動無線遙控模塊（圖3）。

4 溫度差動分析

4.1 實時必要通風(fēng)率的確定

必要通風(fēng)率是指使室內(nèi)空氣溫度、濕度、CO2濃度維持在適宜作物生長水平所必須的通風(fēng)率，主要與作物生長要求、室內(nèi)外氣象環(huán)境等條件有關(guān)。根據(jù)溫室通風(fēng)的目的可將必要通風(fēng)率區(qū)分為滿足排除室內(nèi)多余熱量、抑制室內(nèi)高溫的必要通風(fēng)率，滿足排除室內(nèi)多余水汽、抑制高濕度的必要通風(fēng)率和滿足補充CO2要求的必要通風(fēng)率三者。

因北方地區(qū)溫度控制最為重要，故選擇排除室內(nèi)多余熱量、抑制室內(nèi)高溫的必要通風(fēng)率作為必要通風(fēng)率。參考《溫室通風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[19]溫室內(nèi)吸收的太陽輻射熱量、溫室圍護覆蓋層的傳熱量、室內(nèi)植物蒸騰和地面水分蒸發(fā)吸收的熱量以及通風(fēng)排除熱量的動態(tài)平衡關(guān)系，得到該項必要通風(fēng)率的計算公式，通過改編方程，得到一天內(nèi)不同時間的必要通風(fēng)速率方程：

綜合以上分析，推斷ΔT與θ關(guān)系，再由單片機通過采集溫室內(nèi)外溫度并通過分析計算，與用戶設(shè)置的上下限溫度比較，從而計算出最適的單次動作量，由步進電機帶動通風(fēng)口動作。

5 調(diào)試結(jié)果與分析

該系統(tǒng)在山東省壽光市進行安裝調(diào)試，安裝環(huán)境為 110 m 普通日光溫室，共安裝3套通風(fēng)設(shè)備。

5.1 溫度日變化測試

試驗地點為壽光蔬菜產(chǎn)業(yè)控股集團，溫控器設(shè)置參數(shù)為上限30 ℃、下限26 ℃。

普通溫控通風(fēng)溫度波動范圍較大，10：00之后仍然會出現(xiàn)明顯低于10：00之前的溫度，并且同一時間段的溫差較大（表2），這主要是沒有考慮室外環(huán)境溫度而機械地控制通風(fēng)口的大小，造成溫度的驟升驟降。溫度差動通風(fēng)上午升溫較快，并且14：00前溫度持續(xù)穩(wěn)定升高；下午降溫緩慢，夜間溫度明顯提高。因此采用溫度差動通風(fēng)能夠較好地控制溫度的波動，能夠降低下午熱量散失，提高夜間的平均溫度，使植物營養(yǎng)生長和生殖生長更合理，積溫和養(yǎng)分同化達到最佳效果。

5.2 正午溫度變化測試

試驗地點為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地，溫控器設(shè)置溫度參數(shù)分別為上限30 ℃、下限29 ℃。從圖4可以看出，普通溫控在溫度低于29 ℃后通風(fēng)口關(guān)閉后，會有1個上升高峰；達到溫度最高點后因通風(fēng)口的打開又會有1個較大的下降，溫度曲線波動很大。差動溫控能夠根據(jù)室外環(huán)境溫度與室內(nèi)環(huán)境的溫度差自動調(diào)節(jié)通風(fēng)口每次動作的大小，使溫度變化很小，基本表現(xiàn)不出溫度因通風(fēng)口的開關(guān)而出現(xiàn)的驟變，關(guān)鍵原因在于差動溫控是一種綜合內(nèi)外環(huán)境的反饋式控制，屬于真正的日光溫室溫度智能控制。

6 結(jié)論

溫度差動式日光溫室通風(fēng)系統(tǒng)不但能較好地控制日光溫室內(nèi)溫度，減少溫度因通風(fēng)口開合而引起的驟升驟降，而且能夠優(yōu)化下午風(fēng)口的關(guān)閉，從而有利于夜間溫室內(nèi)部保溫。相對于過去機械式的開關(guān)通風(fēng)口，溫度差動式溫控系統(tǒng)采用閉環(huán)智能控制，在綜合考慮用戶設(shè)定值、室內(nèi)作物生長環(huán)境溫度和室外環(huán)境溫度后，通過運算精準控制日光溫室通風(fēng)口的大小，更有助于植物生長，還能節(jié)約大量的人力物力。

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